सिलिकॉनची गोष्ट : VLSI चीप डिझाईन सामान्य माणसाला समजेल अशा भाषेत

आधुनिक उपकरणांचा ‘सिलिकॉन मेंदू’

आज मोबाईल, टीव्ही, फ्रिज, लॅपटॉप, इलेक्ट्रिक वाहन यांसारख्या प्रत्येक आधुनिक उपकरणाच्या आत एक लहानशी “चीप” म्हणजे इंटिग्रेटेड सर्किट (IC) बसलेली असते. या चीपमध्ये लाखो–कोटी ट्रांजिस्टर एकत्र येऊन छोट्या आकारात एक प्रचंड क्लिष्ट “इलेक्ट्रॉनिक मेंदू” तयार करतात. इंटिग्रेटेड सर्किटचा मूलभूत शोध Jack Kilby आणि Robert Noyce यांनी जवळपास एकाच काळात लावला, आणि त्यातून पूर्ण सेमिकंडक्टर इंडस्ट्री उभी राहिली. ट्रांजिस्टर हे इथे सर्वात लहान लॉजिक युनिट – कधी स्विच, कधी अँप्लिफायर – म्हणून काम करतात. Moore’s Law नुसार साधारण दर दोन वर्षांनी एका चीपमधील ट्रांजिस्टरची संख्या दुप्पट होत गेल्यामुळे संगणकांची क्षमता सतत वाढत आहे; हा कठोर नियम नसून “ट्रेंड” समजायला वापरलेला अनुभवाधारित नियम आहे.

चीपमधले वेगवेगळे ब्लॉक्स आणि क्लॉक

एकाच चीपमध्ये प्रोसेसर, मेमरी, इनपुट–आउटपुट, कम्युनिकेशन इंटरफेस, पॉवर मॅनेजमेंट असे अनेक ब्लॉक्स असतात आणि प्रत्येक ब्लॉकची कामे वेगळी असतात. हे सर्व ब्लॉक्स आतल्या मेटल इंटरकनेक्ट्सने एकमेकांना जोडलेले असतात, म्हणून डेटा आणि सिग्नल योग्य ठिकाणी पोहोचतो. डिझाईन करताना काही वेळा आपण ट्रांजिस्टर लेव्हल, काही वेळा गेट लेव्हल (AND, OR, NOT), आणि काही वेळा संपूर्ण सबसिस्टम लेव्हलवर विचार करतो. सर्व ब्लॉक्सनी एकाच तालात काम करावे म्हणून क्लॉक सिग्नल वापरला जातो; तो म्हणजे नाडीच्या ठोक्यांसारखा टाइमिंग रेफरन्स. हा क्लॉक आणि पॉवर सप्लाय एकमेकांशी नीट जुळले नाहीत तर चिप “हँग” होणे, चुकीचे आउटपुट देणे अशी प्रॉब्लेम्स होऊ शकतात.

सिलिकॉन, वेफर आणि क्लीन रूम

IC बनवण्यासाठी प्रथम सिलिकॉन अत्यंत शुद्ध स्वरूपात मोठ्या क्रिस्टलच्या रूपात तयार केला जातो आणि त्याचे पातळ स्लाइस कापून “वेफर” बनवले जातात. हे वेफर्स पॉलिश करून आरशासारखे गुळगुळीत केले जातात, कारण अगदी सूक्ष्म खडे किंवा धूळही पुढच्या टप्प्यात बिघाड करू शकते. संपूर्ण फॅब्रिकेशन क्लीन रूममध्ये होते; कामगारांनी स्पेशल सूट घातलेले असतात, जेणेकरून त्वचा, केस किंवा धूळ वेफरवर पडू नये. एका वेफरवर एकाच वेळी अनेक ICs तयार होतात आणि शेवटी वेफर कापून स्वतंत्र चीप बनवून पॅकेजमध्ये बसवली जाते.

फोटोलीथोग्राफी – सूक्ष्म नकाशा कोरण्याची कला

वेफरवर सूक्ष्म सर्किट नकाशा उमटवण्याची प्रक्रिया म्हणजे फोटोलीथोग्राफी. आधी वेफरवर फोटोरेझिस्ट नावाचा प्रकाशसंवेदनशील थर लावला जातो, नंतर मास्क (ज्यात आपला सर्किट पॅटर्न असतो) ठेवून विशिष्ट भागांवर प्रकाश टाकला जातो. मग केमिकल प्रोसेसमुळे काही भागातील फोटोरेझिस्ट विरघळतो व काही भाग राहतो, आणि पुढच्या एचिंग स्टेपमध्ये सिलिकॉन किंवा ऑक्साइडचा नको असलेला भाग काढून टाकला जातो. असा फोटोलीथोग्राफीचा चक्र पुन्हा पुन्हा करून वेगवेगळे लेअर्स – ट्रांजिस्टर, मेटल लाईन्स, व्हायाज – तयार केले जातात. आज अल्ट्राव्हायोलेट, ई–बीम किंवा एक्स–रे लिथोग्राफीमुळे अतिशय सूक्ष्म पॅटर्न तयार करणे शक्य झाले आहे.

IC फॅब्रिकेशनचे मुख्य टप्पे

IC fabrication मध्ये साधारणपणे वेफर प्रिपरेशन, ऑक्सिडेशन, फोटोलीथोग्राफी, डोपिंग (diffusion/ion implantation), thin film deposition, एचिंग, मेटल इंटरकनेक्ट्स आणि शेवटी पॅकेजिंग असे अनेक टप्पे असतात. प्रत्येक टप्पा अगदी नॅनोमीटर पातळीवर नियंत्रित केला जातो; एखादी छोटी चूक झाली तरी पूर्ण वेफर स्क्रॅप होऊ शकतो. डोपिंगमुळे सिलिकॉनच्या काही भागांना n-type किंवा p-type गुणधर्म दिले जातात, त्यातून p-n जंक्शन्स आणि MOS ट्रांजिस्टर तयार होतात. मेटल डेपोझिशन आणि एचिंग करून विविध लेव्हलवर वायरिंग केली जाते, ज्यामुळे वेगवेगळे ब्लॉक्स आणि ट्रांजिस्टर एकमेकांना जोडले जातात. शेवटी “डाई” कापून पॅकेजमध्ये वायर बॉन्डिंग किंवा फ्लिप–चिप तंत्राने जोडून, बाहेर पिन्स किंवा बॉल–ग्रिड अॅरे दिले जातात.

डिझाईन फ्लो – Front-End आणि Back-End

VLSI डिझाईन प्रत्यक्ष फॅब्रिकेशनच्या खूप आधी सुरु होते आणि त्याला एक ठराविक डिझाईन फ्लो असतो. Front-End मध्ये specification, architecture, RTL design (VHDL/Verilog), simulation आणि synthesis अशा टप्प्यांमधून सर्किटचे लॉजिकल वर्तन ठरवले जाते. Back-End मध्ये floorplanning, placement, clock-tree synthesis, routing, timing आणि physical verification करून हा लॉजिकल डिझाईन प्रत्यक्ष सिलिकॉन लेआउटमध्ये रूपांतरित केला जातो. या सर्व टप्प्यांसाठी Synopsys, Cadence, Mentor Graphics (Siemens EDA) यांसारखी EDA टूल्स वापरली जातात. डिझाईन फ्लोचा शेवट “GDSII” किंवा त्यासारख्या फाईल फॉरमॅटमध्ये होतो, जी फॅबमध्ये पाठवली जाते.

Design Rules आणि नॅनोमीटर स्केल

IC डिझाईन करताना Design Rule Check (DRC) हा अत्यंत महत्त्वाचा टप्पा असतो. यात किमान लाईन विथ, किमान स्पेसिंग, ओव्हरलॅप, कॉन्टॅक्ट साईज, व्हाया साईज इत्यादी नियम फाउंड्री ठरवते आणि त्यानुसार लेआउट तपासले जाते. ७ nm, ५ nm असे जे “टेक्नॉलॉजी नोड्स” म्हणतो, ते केवळ दोन ट्रांजिस्टरमधील अंतर नाहीत, तर संपूर्ण प्रक्रिया पिढीसाठी वापरलेले नाव आहे – किमान फिचर साईज, ट्रांजिस्टर स्ट्रक्चर, इतर तांत्रिक पॅरामिटर्स त्यात गृहित असतात. हे परिमाण इतके सूक्ष्म आहे की मानवी केसाच्या जाडीपेक्षा लाखो पटीने लहान आहे; म्हणूनच क्लीनरूम आणि अत्याधुनिक लिथोग्राफीची गरज भासते. परिमाण कमी होत चालल्याने quantum effects (tunneling इ.) जास्त दिसू लागतात आणि पॉवर–लीकेज, रिलायबिलिटी या बाबतीत नवीन आव्हाने निर्माण होतात.

VHDL/Verilog – हार्डवेअरचे “कोड”

हार्डवेअर डिझाईन समजायला सोपे व्हावे म्हणून VHDL आणि Verilog यांसारख्या हार्डवेअर डिस्क्रिप्शन लँग्वेजेस वापरल्या जातात. या भाषेत आपण “इनपुट असेल तेव्हा आउटपुट असे बदला” अशी लोजिकल वर्तणूक लिहितो, म्हणजे software सारखा कोड दिसतो पण त्याचा आउटपुट एक हार्डवेअर सर्किट असतो. या RTL कोडचे simulation करून डिझाईन योग्य आहे का ते पाहिले जाते आणि synthesis करून ते लॉजिक गेट्सच्या नेटवर्कमध्ये रूपांतरित केले जाते. नंतर हा netlist Back-End मध्ये जाऊन प्रत्यक्ष सिलिकॉन लेआउट होतो. अशा प्रकारे “कोड → गेट्स → लेआउट → सिलिकॉन” असा प्रवास पूर्ण होतो.

FPGA, ASIC आणि CPLD – कशासाठी काय?

FPGA (Field Programmable Gate Array) ही अशी चीप असते की जी वापरकर्ता नंतर हवी तशी पुन्हा–पुन्हा कॉन्फिगर करू शकतो; प्रोटोटायपिंग, रिसर्च आणि मल्टी–परपज ॲप्लिकेशनमध्ये हा मोठ्या प्रमाणावर वापरला जातो. ASIC (Application Specific Integrated Circuit) मात्र विशिष्ट कामासाठी खास बनवलेला असतो – उदा. मोबाईलचा SoC – जो एकदा फॅब्रिकेट झाल्यावर बदलता येत नाही, पण परफॉर्मन्स व पॉवरच्या बाबतीत खूप कार्यक्षम असतो. CPLD (Complex Programmable Logic Device) हे आकाराने लहान, निश्चित व जलद टायमिंग लागणाऱ्या कंट्रोल ॲप्लिकेशनसाठी वापरले जाणारे प्रोग्रामेबल डिव्हाइस आहेत – त्यात काही PAL/PLA सारखे ब्लॉक्स आणि programmable interconnect असतो. नॉन–इंजिनिअरला सोप्या भाषेत सांगायचे तर: FPGA – “हवी तशी बदला”, ASIC – “एक काम, पण फार उत्तम”, CPLD – “लहान कंट्रोल कामांसाठी प्रोग्रामेबल ब्लॉक”.

टेस्टिंग, वेरिफिकेशन आणि Datasheet

चिप तयार झाल्यानंतर सर्वात महत्त्वाचे पाऊल म्हणजे तिची तपशीलवार वेरिफिकेशन आणि टेस्टिंग. RTL पातळीवर SystemVerilog/UVM सारख्या तंत्रांनी फंक्शनल वेरिफिकेशन होते, तर तयार झालेल्या ASIC/FPGA वर प्रॅक्टिकल टेस्टिंगसाठी टेस्टबेंचेस आणि ऑटोमेटेड टेस्ट इक्विपमेंट (ATE) वापरले जाते. त्याचबरोबर चिप किती तापमान, व्होल्टेज आणि फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये सुरक्षित आहे हे पाहण्यासाठी electrical आणि thermal characterization केली जाते. या सगळ्या माहितीचा सारांश म्हणजे Datasheet – ज्यात पिन्स, टायमिंग, पॉवर, absolute maximum ratings, ॲप्लिकेशन नोट्स असे अनेक तपशील लिहिलेले असतात आणि ती कंपनीच्या वेबसाईटवर उपलब्ध असते. अनेक ICs consumer grade, industrial grade, military/space grade अशा वेगवेगळ्या विश्वासार्हता व तापमान श्रेणीनुसार बनवली जातात.

क्वांटम इफेक्ट्स आणि भविष्याचा मार्ग

ट्रांजिस्टरचे परिमाण नॅनोमीटर पातळीवर येताच quantum tunneling, short-channel effects यांसारखे परिणाम अधिक प्रकर्षाने दिसू लागतात. त्यामुळे “इलेक्ट्रॉनची साईज कमी पडते” असे जरी रूपक वापरले तरी प्रत्यक्षात समस्या ही क्वांटम फिजिक्स आणि मटेरियल लिमिट्सशी संबंधित आहे. यामुळे पुढील पिढीत 3D integration, FinFET/GAAFET सारखे नवीन ट्रांजिस्टर, नवीन सेमीकंडक्टर मटेरियल (SiC, GaN) आणि quantum/neuromorphic computing अशा पर्यायांचा अभ्यास सुरू आहे. म्हणजे केवळ “आणखी लहान” न बनवता “नवीन प्रकारचे संगणक” आणि “नवीन आर्किटेक्चर” हा विचारही पुढे येतो.

नॉन–इंजिनिअरसाठी टेक्नॉलॉजीची दारे उघडी

आज प्रत्येक टीव्ही, मोबाईल, फ्रिज, मेडिकल इक्विपमेंट, इंडस्ट्रियल कंट्रोल, इलेक्ट्रिक वाहन यामध्ये IC असतो आणि तोच त्या उपकरणाचा “डिसीजन–मेकर” असतो. हे IC अतिशय कमी व्होल्टेज आणि कमी पॉवरवर काम करतात, म्हणून बॅटरीवर दीर्घकाळ चालणारी उपकरणे शक्य झाली आहेत. नॉन–इंजिनिअरिंग पार्श्वभूमी असणाऱ्या व्यक्तीला समजून घ्यायचे असेल तर एवढे लक्षात ठेवले तरी पुरेसे आहे – ट्रांजिस्टर म्हणजे छोटा स्विच, VLSI म्हणजे लाखो–कोटी स्विच एका सिलिकॉन तुकड्यावर, आणि डिझाईन फ्लो म्हणजे हा संपूर्ण मेंदू कल्पनेपासून प्रत्यक्ष चीप होईपर्यंतचा प्रवास. अशा मराठी लेखांचा उद्देशच हा – तांत्रिक भाषा आणि अवघड सूत्रांमधून ज्ञान “मुक्त” करून सर्वसामान्य वाचकापर्यंत सोप्या भाषेत पोचवणे.

#VLSI #इंटिग्रेटेडसर्किट #ChipDesign #Semiconductor #FPGA #ASIC #CPLD #ICFabrication #NanometerTechnology #मराठीटेक #ElectronicsEngineering #DigitalElectronics

– सुरज दिलीपराव कुलकर्णी

M.E. (VLSI and Embedded Systems), C-DAC